复合材料的切削加工工艺与刀具选择（含车削、铣削、钻削）

  轻是原材料应用的关键方向，高强度钢板、轻铝合金、复合材料是未来的发展方向，同时复合材料也进入了更好的未来发展机遇，碳纤维材料和玻璃纤维复合材料重量轻、抗压强度大、设计方案好、抗冲击、耐腐蚀等优点，其抗拉强度是金属材料的3~5倍，抗冲击强度超过1500 MPa，达到高韧性零件的要求；净重比铸铁件轻50%，比压铸轻30%，轻量减脂的实际效果非常明显，因此已广泛应用于车辆、航空航天、风速等行业。

  图1 复合材料的主要用途

   一、复合材料的切割加工方法

  1.复合材料的铣削加工

  车削加工复合材料（CFRP）在加工中使用更多的方法也是最基本的方法，通常适用于圆柱形表面预订尺寸公差。可用于铣削的关键原材料为：硬合金工具、聚晶金钢石。

  在整个加工过程中，主要参数和刀具性能如刀主要参数和刀具性能会损害产品工件成品的表面质量，这也是技术优化的关键总体目标方向。

  2.复合材料的切割加工

  铣削通常是对成品工件进行再加工的一种加工方法。加工精度高，是对复杂产品工件进行粗加工后的全过程。

  在加工过程中，端车刀和复合材料（CFRP）中间要进行复杂的相互影响，很容易造成CFRP产品工件有未断裂的化纤棉纱及其分层状态。为了减少和防止类似的缺点，必须科学合理地预测和分析切削力、轴分层、未断裂的化纤棉纱毛刺的产生，操纵化学纤维趋势、径向和方向速率、切削速度等基本参数，必须不断测试化学纤维的趋势、径向和方向，产生最佳的主要参数，并进行切割加工。此外，工具材料的选择也会对产品工件的外观粗糙度造成明显的危害。选择合适的工具材料，设置有效的加工工艺主要参数，可合理减少毛刺。

  图2 华菱超硬PCD车刀(可定制)

  3.复合材料的打孔加工

  复合材料产品工件钻孔加工中常见的加工方法也是关键问题，如复合材料（CFRP）在整个钻孔过程中，原材料的矿压、刀具的损坏以及孔内腔的产品质量问题。

  经试验分析，设定的主要切割参数、麻花钻的三维几何形状及其切割加工质量对复合材料的冲孔加工造成了显著的危害。损伤区域的大直径和直径比通常称为损伤因素，这也表明了分层状态的水平。分层因素越大，分层问题就越严重。根据实验，可以逻辑推理，整个切割过程中的驱动力和分层状态也有内部联系，推力的大小也可以显示分层水平。根据相同的冲孔原材料，与其他加工方法不同，冲孔加工中的切削速度不易对切削力造成很大危害。

  在相同的主要切割参数下，与麻花钻头相比，主要参数对独特的混合麻花钻的分层危害较小。对于形成的非标准麻花钻，较大的刀速和直径可以降低分层，随着直径比的降低和刀速的扩大，钻孔切割力会扩大。

   二、复合材料切割加工难题

  复合材料切削加工难点的关键体现在：

  (1)复合固层抗压强度低，在切削力作用下容易分层；

  (2)化纤复合型抗压强度高，匀称性弱，切割困难；

  (3)精度高，不能容忍整个加工过程中的一点异常误差；

  (4)预加工增加值高，不允许造成废物。

   三、复合材料切割加工刀具材料选择

  刀具材料的有效选择是复合材料加工的主要标准。根据复合材料的加工特点，规定刀具原材料和刀具几何图形的主要参数相对有效。只有耐磨、锐利、排热标准好，才能合理切断化纤，实现刀具的有效使用寿命。

   1.复合材料刀具材料的高效切割加工——PCD和CVD金钢石刀具

  金刚石的强度可达9万HV，是硬质合金刀具的4~6倍，耐磨性高(是硬质合金刀具的十倍以上)，如华菱超硬CDW010材料具有优异的耐磨性，同时保持锋利的刀口，合理切断化纤，保证外观光滑度高，减少磨削工具、抛光等辅助时间，缓解操作人员的劳动效率，进一步提高生产率。

   2.PCD型号CDW010的性能

  通常在加工复合材料时选择CDW010材料。加工复合材料时通常选用CDW010材料。

  图3 PCD型号的性能

  图4显示了6种不能粒度分布的华菱超硬。PCD——CDW850/CDW002/CDW005/CDW010/CDW025/CDW302的性能特点和外部经济结构。

  图4 PCD型号的性能特性

  3.风电叶片刀具复合材料典型应用方案

  选用玻璃纤维提高复合材料的风电叶片在性能、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性方面远优于传统铝型材、不锈钢板和木材，深受风电企业的热烈欢迎。玻璃纤维风电叶片金钢石刀具加工方案如下：

  (1)叶面根部加工:金钢石刀具CDW010材料镗刀头，常见型号规格如下:WCMT06T3，WCMT0905

  (2)叶面根部端面铣削:叶面根部切割后，表面不平整。风电叶片根部内孔应用金钢石铣刀片切割加工。常用刀头型号规格:CDW010材料SEHT1204和SPMT16T4。

  (3)风电叶片打孔刀具:金钢石电镀工艺绞刀

  图5 风电叶片加工刀具计划